KR20150061686A - 가스 검출 장치 및 가스 검출 방법 - Google Patents

가스 검출 장치 및 가스 검출 방법 Download PDF

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KR20150061686A
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김재완
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김종안
진종한
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한국표준과학연구원
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Abstract

본 발명은 가스 검출 장치 및 가스 검출 방법을 제공한다. 이 가스 검출 장치는 특정한 가스의 흡수 스펙트럼 중에서 특정한 단일 흡수선의 선폭의 범위에서 변조 주파수를 가지고 시간에 따라 레이저 주파수를 연속적으로 변경하는 레이저 광원; 상기 레이저 광원의 출력광을 측정 대상에 제공하는 송신 광학계; 상기 측정 대상에서 상기 특정한 가스에 의한 흡수되어 반사된 반사광을 수신하는 수신 광학계; 상기 특정한 가스의 흡수 스펙트럼 중에서 특정한 흡수 대역의 중심에 상기 레이저 광원의 중심 주파수를 고정하기 위한 주파수 잠금부; 및 상기 수신 광학계가 측정한 상기 반사광을 분석하여 상기 변조 주파수의 고조파 성분을 추출하는 제어부를 포함한다.

Description

가스 검출 장치 및 가스 검출 방법{Gas Detection Apparatus and Gas Detection Method}
본 발명은 가스 누설 감지 장치에 관한 것으로, 더 구체적으로 레이저의 파장을 가변하여 누설 가스의 흡수 스펙트럼을 측정하여 가스 누설을 감지하는 가스 누설 감지 장치에 관한 것이다.
진공 챔버의 누설(leakage)을 확인하기 위하여, 헬륨가스를 챔버에 공급하고, 질량 분석기는 헬륨 가스를 감지하여 누설 위치를 확인하였다.
일반적으로 특정 파장의 레이저광은 임의의 가스에 흡수되는 특징을 가지고 있다. 이러한 레이저광의 특징을 이용한 레이저 수광 장치는 원거리에서도 가스의 누출 유무를 검출할 수 있다. 예를 들어 설명하면, He-Ne 레이저에 의하여 조사되는 레이저광의 3.39㎛에는 3.3922㎛(λ1)와 3.3912㎛(λ2)와 같은 두 개의 파장이 존재하며 이중 λ1은 메탄에 강하게 흡수되고, λ2는 메탄에 조금밖에 흡수되지 않는 특성이 있다. 이러한 특징을 이용한 종래 레이저 기반 원격 메탄 누설 검출을 위한 방법 및 장치(미국등록특허 US 7,075,653 B1호 2006. 07. 11)가 개발되었다.
그러나, 주파수 변조 방식을 사용하는 종래 레이저 기반 원격 메탄 누설 검출 방법은 레이저 주파수 안정화의 문제를 가지고 있다.
본 발명은 특정한 가스의 흡수 스펙트럼에 안정화된 누설 가스 검출 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 검출 장치는 특정한 가스의 흡수 스펙트럼 중에서 특정한 단일 흡수선의 선폭의 범위에서 변조 주파수를 가지고 시간에 따라 레이저 주파수를 연속적으로 변경하는 레이저 광원; 상기 레이저 광원의 출력광을 측정 대상에 제공하는 송신 광학계; 상기 측정 대상에서 상기 특정한 가스에 의한 흡수되어 반사된 반사광을 수신하는 수신 광학계; 상기 특정한 가스의 흡수 스펙트럼 중에서 특정한 흡수 대역의 중심에 상기 레이저 광원의 중심 주파수를 고정하기 위한 주파수 잠금부; 및 상기 수신 광학계가 측정한 상기 반사광을 분석하여 상기 변조 주파수의 고조파 성분을 추출하는 제어부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 송신 광학계는 상기 레이저 광원의 출력광을 제공받아 광원으로 되돌아가는 일부 반사광을 차단하기 위한 아이솔레이터; 및 상기 아이솔레이터를 통과한 광의 빔 사이즈를 증가시키는 빔 확장부(beam expander)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 송신 광학계는 상기 레이저 광원의 출력광을 제공받아 광원으로 되돌아가는 일부 반사광을 차단하기 위한 아이솔레이터; 상기 아이솔레이터를 통과한 광의 빔 사이즈를 증가시키는 빔 확장부(beam expander); 및 상기 아이솔레이터와 상기 빔 확장부 사이에 배치되는 빔 스플릿터를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 주파수 잠금부는 상기 빔 스플릿터에 의하여 분기된 광을 반사시키는 주파수 잠금 거울; 상기 주파수 잠금 거울에서 반사된 광을 투과시키고 밀봉된 상태의 상기 특정한 가스를 포함하는 가스 셀(gas cell); 상기 가스 셀을 투과한 광에서 노이즈 주파수 성분을 제거하는 필터; 및 상기 필터를 통과한 광을 감지하는 광 감지부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광 감지부의 출력 신호를 제공받아 처리하여 상기 레이저 광원의 중심 주파수를 상기 흡수 스펙트럼 중에서 특정한 흡수 대역의 최하점에 일치시키도록 제어하는 주파수 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 수신 광학계는 카세그레인식(Cassegrain) 반사 망원경 구조일 수 있다. 상기 수신 광학계는 상기 반사된 레이저 광을 집속하는 주경(main mirror); 상기 주경의 중심축에 배치되고 상기 주경으로부터 반사된 광을 재반사시키는 부경; 및 상기 주경의 중심축에서 배치되는 광 감지 모듈을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광 감지 모듈은 일단은 상기 주경의 중심축에 배치되고, 서로 이격되어 배치된 한 쌍의 광 섬유; 및 상기 한 쌍의 광 섬유의 타단에 각각 배치된 한 쌍의 광 검출기를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광 감지 모듈은 일단은 상기 주경의 중심축에 배치되고, 서로 이격되어 배치된 한 쌍의 광 섬유 번들; 및 상기 한 쌍의 광 섬유 번들의 타단에 각각 배치된 한 쌍의 광 검출기를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광 감지 모듈은 한 쌍의 광 섬유 번들 사이에 배치된 정렬 광섬유를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 수신 광학계는 카세그레인식(Cassegrain) 반사 망원경 구조일 수 있다. 상기 수신 광학계는 상기 반사된 레이저 광을 집속하는 주경(main mirror); 상기 주경의 중심축에 배치되고 상기 주경으로부터 반사된 광을 재반사시키는 부경; 상기 부경을 상기 주경의 중심축 상에서 이동시키고 상기 부경의 배치 평면의 수직 방향을 상기 중심축으로부터 변경시키는 부경 스캐너; 상기 주경의 중심축에서 배치되는 광 감지 모듈을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 송신 광학계는 상기 레이저 광원의 출력광을 제공받아 광원으로 되돌아가는 일부 반사광을 차단하기 위한 아이솔레이터; 상기 아이솔레이터를 통과한 광의 빔 사이즈를 증가시키는 빔 확장부(beam expander); 상기 빔 확장부의 후단에 배치되어 상기 측정 대상의 배치 평면에 스캐닝하는 빔을 제공하는 송신 스캐너; 및 상기 송신 스캐너가 제공한 빔을 반사시켜 상기 측정 대상에 제공하는 송신거울을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 측정 대상과 상기 레이저 광원의 거리를 측정하는 거리 측정부를 더 포함하고, 상기 거리 측정부는 가시광선 대역의 파장을 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 측정 대상과 상기 레이저 광원의 거리를 가시 광선 대역의 파장을 사용하여 측정하는 거리 측정부를 더 포함할 수 있다. 상기 송신 광학계는 상기 레이저 광원의 출력광을 제공받아 광원으로 되돌아가는 일부 반사광을 차단하기 위한 아이솔레이터; 상기 아이솔레이터를 통과한 광의 빔 사이즈를 증가시키는 빔 확장부(beam expander); 및 상기 아이솔레이터와 상기 빔 확장부 사이에 배치되는 빔 스플릿터를 포함할 수 있다. 상기 빔 스플릿터는 이색성 거울이고, 상기 거리 측정부의 출력광은 상기 빔 스플릿터를 통하여 상기 빔 확장부에 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 레이저 광원은 흐르는 변조 주파수의 전류를 이용하여 주파수를 변조하고, 상기 레이저 광원의 중심 주파수는 압전 소자를 이용하여 캐비티 길이 변경에 의하여 이동할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제어부는 신호 처리부를 포함할 수 있다. 상기 신호 처리부는 상기 수신 광학계가 제공하는 한 쌍의 광 검출기의 출력 신호를 제공받는 차동 증폭기; 및 상기 차동 증폭기의 차동 증폭 신호를 제공받아 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분을 출력하는 록인 증폭기(lock-in amplifier)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 변조 주파수를 가지는 전류 변조 신호를 생성하는 함수 발생기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제어부는 시스템 제어부를 더 포함할 수 있다. 상기 시스템 제어부는 상기 신호 처리부의 데이터를 제공받아 연산하여 상기 측정 대상의 특정한 가스 누출 여부를 산출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 검출 방법은 레이저 광원이 특정한 가스의 흡수 스펙트럼 중에서 특정한 흡수 대역의 최소값에 일치하는 중심 주파수를 가지고, 상기 특정한 흡수 대역의 선폭의 범위에서 변조 주파수를 가지고 시간에 따라 주파수를 연속적으로 변경하는 단계; 송신 광학계가 상기 레이저 광원의 출력광을 측정 대상에 조사하는 단계; 수신 광학계가 상기 측정 대상의 특정한 가스 누출 여부에 따라 상기 특정한 가스의 흡수 스펙트럼을 반영한 반사광을 수신하는 단계; 주파수 잠금부가 특정한 가스의 흡수 스펙트럼 중에서 특정한 흡수 대역에 상기 레이저 광원의 중심 주파수를 고정하기 위한 주파수 잠금 검출 신호를 생성하는 단계; 및 제어부는 상기 수신 광학계가 측정한 상기 반사광을 분석하여 상기 변조 주파수의 고조파 성분을 추출하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 송신 광학계가 상기 레이저 광원의 출력광을 측정 대상에 조사 위치를 변경하는 단계; 및 상기 레이저 광원의 출력광을 측정 대상에 조사 위치에 따라 상기 수신 광학계가 상기 반사광의 수신 위치를 변경하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 주파수 잠금 검출 신호는 상기 레이저 광원의 출력광으로부터 분기된 광을 상기 특정한 가스로 밀봉된 가스 셀을 투과시켜 후 검출하여 생성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 시간에 따른 레이저 주파수는 변조 주파수를 가지고 시간에 따라 사인 함수일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 제어부는 상기 수신 광학계가 측정한 상기 반사광을 분석하여 상기 변조 주파수의 고조파 성분을 추출하는 단계는 한 쌍의 검출 위치에서 제1 검출 신호와 제2 검출 신호를 생성하는 단계; 상기 제1 검출 신호와 제2 검출 신호를 차동 증폭하여 출력하는 단계; 및 상기 차동 증폭된 신호를 상기 변조 주파수의 고조파를 록인 감지(lock-in detection)하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 제어부는 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분에 따라 상기 특정 가스의 누출 여부를 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 송신 광학계와 수신 광학계는 일체화될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 누설 측정 장치는 특정한 가스의 흡수 스펙트럼에 안정화된 주파수 변조 레이저 및 차동 신호를 이용하여 안정적이고 미세한 누설 가스를 측정할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 누설 측정 장치는 원거리에서 누설 가스의 누설 위치와 누설량을 고속으로 검출할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스의 투과 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 2는 1의 특정한 단일 흡수선(E)의 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 변조를 설명하는 도면이다.
도 4는 누설 가스를 투과한 레이저 광의 세기를 시간에 따라 표시한 시뮬레이션 결과이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 검출 장치를 설명하는 개념도이다.
도 6은 도 5의 가스 검출 장치의 타이밍 차트이다.
도 7은 주파수 잠금부의 광 검출기의 출력 신호를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수신 광학계를 설명하는 도면이다.
도 9a 내지 도 9c의 부경 스캐너의 동작을 설명하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수신 광학계를 설명하는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 조사 빔의 스캔 방식을 설명하는 도면이다.
도 12a는 측정용 레이저 조사 빔과 조사 위치에서 반사된 반사 빔의 수집 방법에 대하여 설명하는 도면이다.
도 12b는 도 12a의 x-z 평면을 나타내는 도면이다.
도 12c는 도 12a의 y-z 평면을 나타내는 도면이다.
도 13은 측정 대상의 측정면 또는 누설면과 수신 광학계 내부의 결상되는 검출면 사이의 관계를 나타내는 그림이다.
도 14는 광 검출 모듈이 배치되는 검출면을 설명하는 도면이다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 누설 측정 장치를 설명하는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 보다 상세히 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
가스는 통상적으로 선박 또는 가스 저장 탱크 등에 저장될 수 있다. 상기 가스의 누출은 화재, 폭발, 또는 독성을 가질 수 있다. 이에 따라, 측정 대상의 가스 누출 여부를 확인할 필요가 있다. 상기 가스는 탱크에 저장된 가스 또는 가스 누출을 확인하기 위한 시험용 가스일 수 있다. 저장된 가스의 경우, 가스는 메탄, 에탄, 또는 프로판 가스 등일 수 있다. 시험용 가스의 경우, 가스는 헬륨 또는 N2O 일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스의 투과 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 2는 1의 특정한 단일 흡수선(E)의 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 가스는 N2O이다. 상기 N2O 가스의 투과 스펙트럼(또는 흡수 스펙트럼)은 복수의 흡수선들을 포함한다. 이들 중에서 관심있는 하나의 흡수선(E)이 선택될 수 있다. 상기 흡수선(E)은 가스 누설을 검출하기 위하여 사용될 수 있다.
가스의 흡수선을 정의하는 세가지 파리미터는 흡수선의 중심 주파수, 흡수선의 강도, 그리고 흡수선의 형태일 수 있다. 각각의 흡수선은 내츄럴 브로드닝(natural broadening)에 의하여 일정한 크기의 선폭을 가진다. 또한, 각각의 흡수선은 추가적으로 지표면 근처의 대기 중에서 가스 분자들 사이의 서로 간의 충돌에 의한 선폭 확장 현상에 의한 압력 브로드닝(pressure broadening)을 가진다. 상기 압력 브로드닝(pressure broadening)에 의하여 흡수선의 형태는 로렌츠 프로파일(Lorentz profile)일 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 변조를 설명하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 흡수선은 로렌츠 프로파일을 가질 경우, 일정한 세기의 레이저 광의 레이저 주파수는 변조 주파수를 가지고 특정한 가스의 흡수 스펙트럼에 안정화된 사인 함수일 수 있다. 구체적으로 레이저 주파수(fcm)는 다음과 같이 주어질 수 있다.
Figure pat00001
여기서, fm은 변조 주파수이고, fdc는 중심 주파수이고, B는 변조진폭이고, t는 시간이다.
레이저 주파수는 시간에 따라 사인파의 형태를 가지는 경우, 누설 가스를 투과한 광은 상기 누설 가스의 상기 흡수선에 의하여 변형되어 변조 주파수(fm)의 2차 고조파 성분을 포함한다. 따라서, 변조 주파수(fm)의 2차 고조파 성분은 상기 누설 가스의 농도에 의존할 수 있다.
도 4는 누설 가스를 투과한 레이저 광의 세기를 시간에 따라 표시한 시뮬레이션 결과이다.
도 4를 참조하면, 일정한 세기의 레이저 광의 레이저 주파수는 변조 주파수를 가지고 시간에 따라 사인 함수로 변조될 수 있다. 이에 따라, 누설 가스를 투과한 광 신호는 변조 주파수(fcm)의 2차 고조파 성분을 포함한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 검출 장치를 설명하는 개념도이다.
도 6은 도 5의 가스 검출 장치의 타이밍 차트이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 검출 장치(100)는 특정한 가스의 흡수 스펙트럼 중에서 특정한 단일 흡수선의 선폭의 범위에서 변조 주파수를 가지고 시간에 따라 레이저 주파수를 연속적으로 변경하는 레이저 광원(150), 상기 레이저 광원(150)의 출력광을 측정 대상에 제공하는 송신 광학계(110), 상기 측정 대상(10)에서 상기 특정한 가스에 의한 흡수되어 반사된 반사광을 수신하는 수신 광학계(140), 상기 특정한 가스의 흡수 스펙트럼 중에서 특정한 흡수 대역의 중심에 상기 레이저 광원의 중심 주파수를 고정하기 위한 주파수 잠금부(112), 및 상기 수신 광학계(140)가 측정한 상기 반사광을 분석하여 상기 변조 주파수의 고조파 성분을 추출하는 제어부(170)를 포함한다.
레이저 광원(150)은 특정한 가스의 흡수 스펙트럼 중에서 특정한 단일 흡수선의 선폭의 범위에서 변조 주파수를 가지고 시간에 따라 레이저 주파수를 연속적으로 변경한다. 레이저 광원(150)은 색소 레이저, 파라메트릭 발진 레이저, 스핀 플립라만 레이저, 또는 반도체 레이저일 수 있다.
레이저 광원(150)은 온도 조절부를 포함할 수 있다. 상기 온도 조절부는 상기 레이저 광원의 온도를 일정하게 유지하여 출력 안정성을 향상시킬 수 있다.
레이저 광원(150)은 전류 변조부(151), 압전 변조부(153), 및 통신부(152)를 포함할 수 있다. 상기 전류 변조부(151)는 레이저에 흐르는 전류를 변조 주파수로 시간에 따라 변조할 수 있다. 이에 따라, 상기 레이저 광원(150)의 출력광의 레이저 주파수는 수학식 1과 같이 변조될 수 있다.
상기 압전 변조부(153)는 주파수 잠금 제어부(180)로부터 중심 주파수 제어 신호(F_CTRL)를 수신할 수 있다. 이에 따라, 상기 압전 변조부(153)는 레이저의 캐비티 길이를 변경하여 중심 주파수를 이동시킬 수 있다.
통신부(152)는 시스템 제어부(172)로부터 레이저 동작 신호를 수신할 수 있다.
함수 발생기(160)는 변조 주파수를 가지는 사인 함수를 생성할 수 있다. 함수 발생기는 록인 증폭기(lock-in amplifier)에 록인 감지를 위하여 기준 주파수 신호(REF_S)를 제공할 수 있다. 상기 기준 주파수 신호는 변조 주파수를 가진 사인 신호 또는 펄스 신호일 수 있다. 상기 함수 발생기(160)는 트리거 신호(TRIG_S)를 생성하여 주파수 잠금 제어부(180)에 제공할 수 있다. 이에 따라, 상기 주파수 잠금 제어부(180)는 상기 함수 발생기(160)에 동기화될 수 있다.
상기 함수 발생기(160)의 변조 신호(Vcm)는 다음과 같이 표시될 수 있다.
Figure pat00002
여기서, Vdc는 직류 성분이고, A는 변조진폭이고, fm은 변조 주파수이고, t는 시간이다. 상기 변조 주파수(fm)은 수 kHz 대역일 수 있다.
상기 함수 발생기(160)의 변조 신호(Vcm)는 상기 전류 변조부(151)에 제공되고, 상기 전류 변조부(151)는 레이저 주파수를 변조시킬 수 있다.
송신 광학계(110)는 상기 레이저 광원(150)의 출력광(12)을 측정 대상(10)에 제공한다. 상기 송신 광학계(110)는 아이솔레이터(113), 빔 스플릿터(114), 빔 확장부(115), 송신 스캐너(116), 및 송신 거울(117)을 포함할 수 있다.
상기 아이솔레이터(113)는 광원으로 되돌아가는 일부 반사광을 차단할 수 있다. 이에 따라, 상기 빔 스플릿터(114)는 상기 레이저 광원(150)의 출력광을 제공받아 상기 빔 스플릿터(114)에 전달하고, 상기 빔 스플릿터(114)로부터 전달된 광은 상기 레이저 광원(150)에 전달하지 않을 수 있다. 이에 따라, 상기 아이솔레이터(113)는 상기 레이저 광원(150)의 안정적 동작을 제공할 수 있다.
상기 빔 스플릿터(114)는 이색성 빔 스플릿터일 수 있다. 상기 레이저 광원(150)의 레이저 주파수는 적외선 대역일 수 있다. 상기 빔 스플릿터(114)는 상기 레이저 광원(150)의 출력광의 일부를 투과시키고, 나머지 광을 분기하여 90도 꺽을 수 있다.
상기 빔 스플릿터(114)를 통과한 광은 빔 확장부(115)에 제공된다. 상기 빔 확장부(115)는 제공된 입력광의 빔 사이즈를 확대하여 출력할 수 있다. 상기 빔 확장부(115)는 공초점의 2 개의 렌즈를 포함할 수 있다.
송신 스캐너(116)는 2 축 스캐닝 미러일 수 있다. 상기 송신 스캐너(116)는 입사광의 진행 방향을 변경하여 상기 측정 대상(10)의 조사 위치를 변경할 수 있다. 상기 송신 스캐너(116)는 라스터(raster) 스캔을 제공할 수 있다.
상기 송신 스캐너(116)가 제공한 광은 송신 거울(117)을 통하여 상기 측정 대상(10)에 제공될 수 있다. 상기 송신 스캐너(116)의 스캐닝 각도는 부경 스캐너(146)의 각도와 동기화되고, 서로 일치할 수 있다. 이에 따라, 상기 송신 스캐너(116)가 제공하는 상기 측정 대상의 조사 위치와 상기 부경 스캐너(146)가 제공받는 상기 측정 대상의 반사 위치는 동일할 수 있다.
상기 빔 스플릿터(114)의 투과율은 레이저 광원(150)의 중심 주파수 대역에 대하여 97 퍼센트 이상일 수 있다. 거리 측정부(130)가 제공하는 광의 거리 측정 주파수 대역에 대하여 98 퍼센트 이상의 반사율을 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 레이저 광원(150)의 출력광의 97 퍼센트 정도는 상기 빔 스플릿터(114)를 투과하고, 3 퍼센트는 상기 빔 스플릿터(114)에서 반사되어 주파수 잠금부(112)에 제공될 수 있다.
주파수 잠금부(112)는 주파수 잠금 거울(112d), 가스 셀(112c), 파장 필터(112b), 및 광 감지부(112a)를 포함할 수 있다.
상기 주파수 잠금 거울(112d)은 상기 빔 스플릿터(114)가 제공한 광을 반사시키어 상기 가스 셀(112c)에 제공할 수 있다.
상기 가스 셀(112c)은 측정하고자 하는 누설 가스를 밀봉한 투명한 셀일 수 있다. 이에 따라, 가변 주파수 측정 레이저 광이 상기 가스 셀(112c)을 투과하는 경우, 투과 스펙트럼이 나타날 수 있다. 상기 누설 가스는 N2O, He, CH4, 등일 수 있다.
상기 가스 셀(112c)을 투과한 레이저 광은 파장 필터(112b)에 제공될 수 있다. 상기 파장 필터(112b)는 상기 누설 가스의 소정의 흡수선 대역 이외에 다른 파장을 가진 노이즈 성분을 제거할 수 있다. 상기 파장 필터(112b)는 레이저의 중심 주파수 대역을 통과시키는 밴드 패스 필터일 수 있다. 상기 파장 필터(112b)를 통과한 광은 광 검출기에 제공된다.
상기 광 검출기(112a)는 광 신호를 전기 신호로 변경할 수 있다. 상기 광 검출기는 포토 다이오드일 수 있다. 상기 광 검출기의 주파수 잠금 검출 신호(F_LOCK)는 시간에 따라 변조 주파수의 2차 고조파 성분을 가질 수 있다. 상기 광 검출기의 주파수 잠금 검출 신호(F_LOCK)는 주파수 잠금 제어를 위하여 주파수 잠금 제어부에 제공될 수 있다.
상기 레이저 광원(150)의 레이저 주파수는 흡수선의 선폭의 범위 내에서 시간에 따라 변조 주파수를 가지고 주기적으로 변경된다. 이에 따라, 상기 광 검출기(112a)의 출력 신호는 변조 주파수의 2차 고조파 성분을 가질 수 있다.
도 7은 주파수 잠금부의 광 검출기의 출력 신호를 나타내는 도면이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 제1 위치(A)는 레이저 주파수가 최대값을 가지는 지점(A')에서의 광 검출기의 신호이다. 제2 위치(B)는 레이저 주파수가 최소값을 가지는 지점(B')에서의 광 검출기의 신호이다. 제3 위치(C)는 레이저 주파수가 다시 최대값을 가지는 지점(C')에서의 광 검출기의 신호이다. 이에 따라, 상기 광 검출기의 출력 신호는 A 지점, B 지점 및 C 지점에서 최대값을 가질 수 있다.
만약, A 지점에서의 상기 광 검출기의 출력 신호의 크기가 B 지점의 출력 신호의 크기와 같다면, 상기 레이저 광원의 중심 주파수(fdc)는 상기 흡수선의 중심(fo)에 일치한다.
만약, A 지점에서의 상기 광 검출기의 출력 신호의 크기가 B 지점의 출력 신호의 크기와 같지 않다면, 상기 레이저 광원의 중심 주파수(fdc)는 상기 흡수선의 중심에 일치하지 않는다. 이 경우, 상기 레이저 광원의 중심 주파수(fdc)를 상기 흡수선의 중심(fo)에 일치시키기 위한 동작이 요구된다.
다시, 도 5를 참조하면, 상기 광 검출기의 주파수 잠금 검출 신호(F_LOCK)는 주파수 잠금 제어부(180)에 제공될 수 있다. 상기 주파수 잠금 제어부(180)는 시간에 따른 주파수 잠금 검출 신호(F_LOCK)의 파형을 분석하여 중심 주파수(fdc)를 제어하도록 중심 주파수 제어 신호(F_CTRL)를 출력할 수 있다. 상기 중심 주파수 제어 신호는 PID(비례적분미분) 제어를 통하여 생성될 수 있다. PID(비례적분미분) 제어에서, A 지점에서의 신호의 세기와 B 지점에서의 신호의 세기의 차이(VA-VB)는 에러함수(error function)로 사용될 수 있다. 중심 주파수 제어 신호(F_CTRL)는 레이저 광원(150)의 압전 변조부(153)에 제공될 수 있다. 이에 따라, 상기 중심 주파수(fdc)는 상기 흡수선의 중심(fo)에 일치할 수 있다.
거리 측정부(130)는 거리 측정 수단(132) 및 거울(134)을 포함할 수 있다. 상기 거리 측정 수단(132)은 가시 광선 대역을 사용할 수 있다. 상기 거리 측정 수단(132)은 비행시간(time-of-flight) 방식, 진폭 변조 방식, 위상 변조 방식을 이용하여 측정할 수 있다. 상기 거리 측정 수단(132)에 출력된 거리 측정광(32)은 상기 거울(134)을 통하여 상기 빔 스플릿터(114)에 제공될 수 있다. 상기 빔 스플릿터(114)는 상기 거리 측정광을 반사시켜 상기 빔 확장부(115)에 제공할 수 있다. 상기 측정 대상에서 반사된 거리 측정광은 역 경로를 통하여 상기 거리 측정 수단(132)에 제공될 수 있다. 이에 따라, 상기 거리 측정부(130)는 측정 대상과 레이저 광원의 거리를 산출할 수 있다. 상기 산출된 거리는 시스템 제어부(172)에 제공될 수 있다. 상기 시스템 제어부(172)는 산출된 거리를 이용하여 수신 광학계(140)의 부경의 위치를 변경할 수 있다.
주파수 잠금 제어부(180)는 아날로그 출력 포트, 아날로그 입력 포트, 디지털 입력 포트, 그리고 통신부를 포함할 수 있다. 상기 디지털 입력 포트는 상기 함수 발생기로부터 트리거 신호(TRIG_S)를 제공받을 수 있다. 상기 아날로그 입력 포트는 상기 광 검출기의 주파수 잠금 검출 신호(F_LOCK)를 제공받을 수 있다. 주파수 잠금 제어부(180)의 통신부는 상기 시스템 제어부(172)의 통신부와 TCP/IP 프로토콜을 이용하여 유선/무선 통신할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수신 광학계를 설명하는 도면이다.
도 8을 참조하면, 수신 광학계(140)는 상기 측정 대상(10)에서 상기 특정한 가스에 의한 흡수되어 반사된 반사광(14)을 수신한다.
상기 수신 광학계(140)는 카세그레인식(Cassegrain) 반사 망원경 구조를 포함할 수 있다. 상기 수신 광학계(140)는 상기 반사광(14)을 집속하는 주경(main mirror), 상기 주경(142)의 중심축에 배치되고 상기 주경(142)으로부터 반사된 광을 재반사시키는 부경(144), 및 상기 주경(142)의 중심축에서 배치되는 광 센서 모듈(148)을 포함할 수 있다.
상기 주경(142)은 경통(미도시)의 일단에 장착될 수 있다. 상기 경통의 타단은 개방되고, 상기 측정 대상(10)을 바라보도록 배치될 수 있다. 상기 주경(142)은 중심축 상에 관통홀을 포함할 수 있다. 상기 주경(142)은 일정한 곡률을 가지는 오목 거울일 수 있다. 상기 주경(142)은 측정 대상에서 반사된 반사광을 수집할 수 있다. 상기 반사광(14)은 누설 가스에 의하여 스펙트럼의 변화를 포함할 수 있다.
부경(144)은 상기 주경(142)의 중심축 상에 배치될 수 있다. 상기 부경(144)은 평면 거울 또는 볼록 거울일 수 있다. 상기 부경
광 센서 모듈(148)은 상기 부경(144)에 의하여 집속되는 반사광을 수집하여 측정할 수 있다. 상기 광 센서 모듈(148)은 한 쌍의 광 센서일 수 있다. 상기 광 센서 모듈(148)은 실질적으로 상기 주경의 중심축 상에 배치될 수 있다. 상기 광 센서는 전단에 파장 선택 필터를 포함할 수 있다. 상기 파장 선택 필터는 선택된 흡수선 대역을 통과시키고 다른 주파수 성분을 차단할 수 있다.
상기 광 센서 모듈이 광 센서인 경우, 상기 광 센서 모듈(148)은 상기 주경(142)의 중심축에서 상기 주경(142)과 부경(144) 사이에 배치될 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 광 센서 모듈는 하나의 광 센서, 한 쌍의 광 센서, 또는 2차원적으로 배열된 광 센서 어레이일 수 있다.
도 9a 내지 도 9c의 부경 스캐너의 동작을 설명하는 도면이다.
도 9a 내지 도 9c를 참조하면, 부경 스캐너(146)는 상기 부경(144)을 상기 주경(142)의 중심축 상에서 이동시키고 상기 부경(144)의 배치 평면의 수직 방향을 상기 중심축으로부터 변경시킬 수 있다. 상기 부경 스캐너(146)는 2축 스캐너(149a,149b,149c)와 z축 스캐너(147)를 포함할 수 있다. 상기 2축 스캐너는 x축과 부경 배치 평면 사이의 틸트 각도(θx)를 조절하고, y축과 부경 배치 평면 사이의 틸트 각도(θy)를 조절할 수 있다.
z 축 스캐너(147)는 상기 부경 배치 평면을 z축 상에서 이동시킬 수 있다. 상기 2축 스캐너(149a,149b,149c)는 모터를 통하여 구동될 수 있다. 상기 2축 스캐너(149a,149b,149c)는 송신 광학계(110)의 송신 스캐너(116)와 시간적으로 동기화되어 동작할 수 있다. 또한, 상기 2축 스캐너(149a,149b,149c)는 상기 송신 스캐너(116)가 상기 측정 대상(10)에 제공하는 조사 빔 위치에서 반사되는 광을 수신하도록 제어될 수 있다. 이를 위하여, 상기 시스템 제어부(172)는 상기 2축 스캐너(149a,149b,149c)에 스캐너 제어 신호(SCAN_R)를 제공하고, z축 스캐너(147)에 z축 제어 신호(Z_MOV)를 제공할 수 있다.
부경 스캐너(146)는 x축 틸트 스캔을 위한 제1 모터, y축 틸드 스캔을 위한 제2 모터, z축 방향의 스캔을 위한 제3 모터를 포함할 수 있다. z 축 방향에 대한 모터 스캔은 누설면에서 산란된 광 또는 반사된 광의 초점 위치를 검출기의 배치 평면에 일치시키 위한 초점 조절에 적용된다.
z축 스캔 모터는 망원경 경통 몸체에 바로 결합되어 고정되고, z축 스캔 모터의 구동에 따라 부경의 위치가 주경에 대하여 상대적으로 이동한다. 또한, 두 개의 틸트 스캔 모터는 부경이 고정되어 있는 원판의 중심축에 설치된 피봇(pivot,149a)을 중심으로 원판(145)을 밀어줄 수 있다. x축 틸트 스캔을 위한 제1 모터는 원판의 중심축에서 x 축 방향으로 이격되어 배치되고, y축 틸트 스캔을 위한 제2 모터는 원판의 중심축에서 y축 방향으로 이격되어 배치될 수 있다. 이에 따라, 제1 모터는 x축 틸트 스캔을 제공하고, 제2 모터는 y축 틸트 스캔을 제공할 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수신 광학계를 설명하는 도면이다.
도 10을 참조하면, 수신 광학계(240)는 상기 측정 대상(10)에서 상기 특정한 가스에 의한 흡수되어 반사된 반사광(14)을 수신한다.
상기 수신 광학계(240)는 카세그레인식(Cassegrain) 반사 망원경 구조를 포함할 수 있다. 상기 수신 광학계(240)는 상기 반사광을 집속하는 주경(main mirror,242), 상기 주경(242)의 중심축에 배치되고 상기 주경으로부터 반사된 광을 재반사시키는 부경(244), 및 상기 주경(242)의 중심축에서 배치되는 광 센서 모듈을 포함할 수 있다.
상기 주경(242)은 경통(미도시)의 일단에 장착될 수 있다. 상기 경통의 타단은 개방되고, 상기 측정 대상(10)을 바라보도록 배치될 수 있다. 상기 주경(242)은 중심축 상에 관통홀을 포함할 수 있다. 상기 주경(242)은 일정한 곡률을 가지는 오목 거울일 수 있다. 상기 주경(242)은 측정 대상에서 반사된 반사광을 수집할 수 있다. 상기 반사광(14)은 누설 가스에 의한 스펙트럼의 변화를 포함할 수 있다.
광 센서 모듈(243,248)은 검출면에 결상되는 이미지 또는 집속된 반사광을 가이드 하는 한 쌍의 광섬유(243) 및 한 쌍의 광 센서(248)를 포함할 수 있다. 상기 광 섬유(243)는 서로 이격된 한 쌍의 광 섬유 또는 광 섬유 번들일 수 있다. 상기 광 섬유의 일단은 상기 검출면에 배치되고, 상기 광 섬유의 타단은 광 센서 상에 배치될 수 있다. 상기 광 섬유는 주경(242)에 형성된 관통홀을 통하여 외부로 연장될 수 있다.
상기 광 센서(248)는 동작 안정성을 위하여 냉각 챔버 안에 배치될 수 있다. 상기 광 센서(248)는 상기 광 섬유의 타단에서 퍼지는 광을 집속하는 집속 렌즈(248a), 상기 집속 렌즈 뒤에 배치되는 어퍼쳐(248b), 및 어퍼쳐 뒤에 배치된 파장 선택 필터, 상기 파장 선택 필터의 후단에 배치된 광 소자(248c)를 포함할 수 있다. 상기 광 센서(248)의 출력(DS1,DS2)은 차동 증폭될 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 조사 빔의 스캔 방식을 설명하는 도면이다.
도 11을 참조하면, 송신 광학계(110)는 송신 스캔부를 제어하여 측정 대상의 표면또는 누설면에 레이저 빔(12)을 조사할 수 있다. 상기 레이저 빔의 조사 위치는 일정한 단위 간격을 가지고 x축 방향으로 이동할 수 있다. 이에 따라, 조사 위치는 시간에 따라 x축 방향으로 변경될 수 있다. 이어서, 스캔 범위의 우측 경계선에 도달한 경우, 조사 위치는 -y축 방향으로 단위 간격을 가지고 이동할 수 있다. 이어서, 조사 위치는 -x축 방향으로 단위 간격을 가지고 이동할 수 있다. 이러한 동작을 반복하면, 레이저 빔은 측정 대상의 검출하고자 하는 모든 표면을 순차적으로 스캐닝할 수 있다. 상기 조사 빔의 스캐닝 방식은 라스터(raster) 스캔일 수 있다.
도 12a는 측정용 레이저 조사 빔과 조사 위치에서 반사된 반사 빔의 수집 방법에 대하여 설명하는 도면이다.
도 12b는 도 12a의 x-z 평면을 나타내는 도면이다.
도 12c는 도 12a의 y-z 평면을 나타내는 도면이다.
도 12a 내지 도 12c를 참조하면, 송신 광학계(110)는 누설면 또는 측정면 상의 각 스캐닝 빔의 조사 위치를 제공한다. 또한, 부경 스캐너(146)는 상기 조사 위치에 대응하는 검출 위치를 추적할 수 있도록 제어될 수 있다. 같은 시간에 스캐닝 빔이 조사되는 위치에서 산란된 빔이 정확히 검출기 상에 집속될 수 있도록, 상기 송신 광학계의 송신 스캐너와 수신 광학계의 부경 스캐너의 구동 순서는 서로 동기화될 필요가 있다.
송신 광학계(110)가 조사 위치를 A에서 B 또는 A에서 C로 이동시킬 수 있다.
송신 광학계(110)가 x-z 평면에서 조사 위치를 A에서 B로 이동시키는 경우, 수신 광학계(140)의 검출 위치는 역시 A에서 B로 이동할 수 있다. 송신 광학계와 상기 수신 광학계 사이의 거리는 통상적으로 수십 cm이내이다. 또한, 상기 송신 광학계(110)와 상기 측정 대상(10)의 누설면 사이의 거리는 수 미터 내지 수십 미터 범위이다. 따라서, 송신 광학계(110)에서의 송신 스캐너(116)에 의한 빔 편향 각도가 Δθx 인 경우, 수신 광학계(140)에서 동기화를 위한 부경 스캐너(146)의 빔 편향 각도가 Δφx 이다. 이 경우, 송신 광학계(110)에서의 송신 스캐너(116)에 의한 빔 편향 각도(Δθx )는 수신 광학계(140)에서 동기화를 위한 부경 스캐너(146)의 빔 편향 각도(Δφx )와 거의 동일할 수 있다.
송신 광학계(110)가 y-z 평면에서 조사 위치를 A에서 C로 이동시키는 경우, 수신 광학계(140)의 검출 위치는 역시 A에서 C로 이동할 수 있다. 송신 광학계(110)와 상기 수신 광학계(140) 사이의 거리는 통상적으로 수십 cm이내이다. 또한, 상기 송신 광학계(110)와 상기 측정 대상의 누설면 사이의 거리는 수 미터 내지 수십 미터 범위이다. 따라서, 송신 광학계(110)에서의 송신 스캐너(116)에 의한 빔 편향 각도가 Δθy 인 경우, 수신 광학계(140)에서 동기화를 위한 부경 스캐너(146)의 빔 편향 각도가 Δφy 이다. 이 경우, 송신 광학계(110)에서의 송신 스캐너(116)에 의한 빔 편향 각도(Δθy )는 수신 광학계(140)에서 동기화를 위한 부경 스캐너(146)의 빔 편향 각도(Δφy )와 거의 동일할 수 있다.
따라서, 누설면을 따라 x축 방향 및 y 축 방향으로 횡방향 스캔을 수행하는 경우, 송신 광학계와 수신 광학계의 스캐너 동기화는 동일한 축 방향을 따라 같은 각도 만큼 동시에 변화시킴으로서 구현될 수 있다.
도 13은 측정 대상의 측정면 또는 누설면과 수신 광학계 내부의 결상되는 검출면 사이의 관계를 나타내는 그림이다.
도 13을 참조하면, A와 B는 측정면 상에서 거리 D 만큼 떨어져 있는 두 측정점을 나타낸다. L은 측정면과 수신 광학계(140)의 주경 위치 사이의 수직 거리이다. 또는, L은 측정면과 수신 광학계(140)의 렌즈 위치 사이의 수직 거리이다. 상기 수신 광학계(140)는 굴절 광학계 또는 반사 광학계를 통하여 구현될 수 있다.
두 측정점 A와 B에서 산란된 광은 수신 광학계(140)를 통하여 검출면 상에 A'과 B' 위치에 결상될 수 있다. 검출면에서, 두 결상 위치 A'과 B' 사이의 거리는 D'이다. 이 경우, 검출면과 주경 사이의 수직 거리는 L'이다.
거울을 이용한 반사 광학계의 경우, L'은 주경의 곡률 반경의 1/2에 해당할 수 있다. 한편, 렌즈를 이용한 굴절 광학계의 경우, L'은 렌즈의 초점거리에 해당할 수 있다.
다시 도 4 및 도 13을 참조하면, 두 결상 위치 A'과 B'에 각각 광 검출기가 배치될 수 있다. A' 위치에 제1 광 검출기(148a)가 배치되고, B' 위치에 제2 광 검출기(148b)가 배치될 수 있다. 상기 제1 광 검출기(148a)의 제1 출력신호(DS1)와 상기 제2 광 검출기(148b)의 제2 출력 신호(DS2)는 차동 증폭기(192)에 제공될 수 있다. 상기 차동 증폭기(192)는 차동 증폭된 차동 신호를 출력할 수 있다.
검출하고자 하는 누설 가스 성분은 이미 대기중에서 일정 농도로 존재할 수 있다. 검출하려는 누설 가스의 양은 적을 수 있다. 따라서, 하나의 광 검출기를 사용하는 경우, 검출된 신호가 누설 가스에 의한 영향인지 대기중에 존재하는 가스에 의한 영향인지 구별하는 것이 어렵다.
측정하고자 하는 누설 가스에 의한 신호와 대기 중의 가스에 의한 노이즈 성분을 분리하기 위하여, 대기 중에 존재하는 가스에 의한 배경 신호의 제거가 요구된다. 이를 위하여, 서로 다른 측정점(A,B)에서 검출된 두 신호의 차이는 차동신호를 제공한다.
A 위치에서 누설 가스가 존재하고, B 위치에서 누설가스가 존재하지 않는 경우, A' 지점의 검출 신호와 B' 지점의 검출 신호의 차이(차동 신호)가 구해질 수 있다. 이 경우, 차동 신호는 공통적으로 투과하는 대기 중에 존재하는 가스에 의한 영향을 상쇄한다. 따라서, 상기 차동 신호는 누설 가스에 영향을 받는다.
반사 광학계를 사용하는 수신 광학계에서, L'은 주경과 부경의 제1 거리와 부경과 광검출기(또는 검출면) 사이의 제2 거리의 합이다. 주경과 검출기는 고정되어 있으며, 부경은 주경의 중심축에서 z축 방향으로 이동할 수 있다.
주경과 측정면 사이의 수직 거리(L)이 변하는 경우, 검출면에 결상을 위한 L'은 변경될 수 있다. 구체적으로, L 이 증가함에 따라, L'은 감소한다. 또한, L이 감소함에 따라, L'은 증가한다.
측정면의 위치가 측정 시스템으로부터 멀어지면, z축 스캐너에 의하여 부경의 위치는 검출기 쪽으로 이동한다. 한편, 측정면의 위치가 측정 시스템에 가까워지면, z축 스캐너에 의하여 부경의 위치는 검출기로부터 멀어진다.
주경과 측정면 사이의 수직 거리(L)는 거리 측정부(130)에 의하여 산출될 수 있다. 상기 거리 측정부(130)는 거리 측정부와 측정면 사이의 거리를 측정할 수 있다. 상기 거리 측정부(130)가 측정한 거리는 실질적으로 주경과 측정면 사이의 수직 거리(L)와 동일할 수 있다. 또는 보정을 통하여 주경과 측정면 사이의 수직 거리(L)가 산출될 수 있다. 수신 광학계에서, L, D, 및 D'이 정해진 경우, L'은 변경될 수 있다. 시스템 제어부(172)는 z축 스캐너를 이동시키기 위한 제어 신호(Z_MOV)를 제공할 수 있다.
제1 광 검출기(148a)는 A' 위치에 배치되고, 제2 광 검출기(148b)는 B'위치에 배치된 경우, 측정점 사이의 거리 D는 다음과 같이 주어진다.
Figure pat00003
예를 들어, D'이 5mm이고, L이 40 m이고, L'이 76 cm인 경우, D는 26.3 cm이다. 즉, 26.3 cm 만큼 떨어진 두 측정점(A,B)에서 산란된 빔이 광수신부의 5 mm 떨어진 두 광 검출기에 결상된다. 두 광 검출기 사이의 거리가 감소함에 따라, 두 측정점 사이의 거리가 감소한다. 두 측정점 사이의 거리가 감소함에 따라, 두 광경로는 서로 근접하게 된다. 이에 따라, 차동신호 검출은 노이즈를 용이하게 제거할 수 있다.
도 14는 광 검출 모듈이 배치되는 검출면을 설명하는 도면이다.
도 14의 (a)를 참조하면, 결상면에 차동 증폭을 위하여, 직접 한 쌍의 광 검출기(148a,148b)가 배치될 수 있다.
도 14의 (b)를 참조하면, 또한, 광 검출기 대신에 집속된 광을 가이드 하기 위한 한 쌍의 광섬유(249a,249b)가 검출면에 배치될 수 있다. 제1 광섬유(249a)의 일단은 상기 검출면에 배치되고, 상기 제1 광섬유(249a)의 타단은 제1 광검출기 앞에 배치될 수 있다. 제2 광섬유(249b)의 일단은 상기 검출면에 상기 제1 광섬유(249a)의 일단과 이격되어 배치되고, 상기 제2 광섬유(249b)의 타단은 제2 광검출기 앞에 배치될 수 있다. 상기 제1 광섬유 및 제2 광섬유는 상기 주경의 중심축 상에 형성된 관통홀을 통하여 외부로 연장될 수 있다. 상기 제1 광 검출기의 출력과 제2 광검출기의 출력은 차동 증폭기에 제공되어 차동 신호(DIF_S)를 생성할 수 있다.
도 14의 (c)를 참조하면, 광섬유 번들이 사용될 수 있다. 제1 광섬유 번들(349a)의 일단은 검출면에 배치되고, 제2 광섬유 번들(349b)의 일단은 제1 광섬유 번들과 이격되어 검출면에 배치될 수 있다. 또한, 수신 광학계에서 정렬을 용이하게 위하여, 상기 제1 광섬유 번들과 제2 광섬유 번들 사이에 정렬 광섬유(347)가 배치될 수 있다. 상기 정렬 광섬유(347)는 외부로 부터 정렬용 광을 제공받을 수 있다. 정렬용 광은 가시 광선일 수 있다. 이에 따라, 상기 정렬용 광을 이용하면, 상기 광 검출 모듈은 상기 주경의 중심축 상에 용이하게 정렬될 수 있다.
다시, 도 5를 참조하면, 제어부(170)는 시스템 제어부(172)와 신호 처리부(190)를 포함할 수 있다. 신호 처리부(190)는 상기 수신 광학계가 측정한 상기 반사광을 분석하여 상기 변조 주파수의 고조파 성분을 추출할 수 있다. 상기 신호 처리부(190)는 차동 증폭기(192)와 록인 증폭기(194)를 포함할 수 있다. 상기 차동 증폭기(192)는 수신 광학계로부터 결상면 또는 검출면에서 측정된 제1 검출 신호(DS1)와 제2 검출 신호(DS2)를 제공받을 수 있다. 상기 차동 증폭기(192)는 상기 제1 검출 신호(DS1)와 제2 검출신호(DS2)의 차이(DIF_S)를 출력할 수 있다. 상기 차동 증폭기의 차동 신호(DIF_S)는 록인 증폭기에 제공될 수 있다.
상기 록인 증폭기(194)는 함수 발생기(160)로부터 변조 주파수의 기준 신호(REF_S)를 제공받고, 상기 차동 증폭기(192)로부터 차동 신호(DIF_S)를 제공받을 수 있다. 상기 록인 증폭기(194)는 상기 변조 주파수의 고조파 성분을 추출할 수 있다. 상기 고조파 성분은 2차 고조파일 수 있다. 상기 2차 고조파 성분의 세기는 누설 가스의 양 또는 농도에 의존할 수 있다.
상기 록인 증폭기(194)의 출력 신호(LOCKIN_OUT)은 시스템 제어부(172)에 제공될 수 있다. 상기 시스템 제어부(172)는 상기 2차 고조파 성분의 세기를 분석하여, 누설 가스의 농도를 산출할 수 있다. 또한, 상기 시스템 제어부(172)는 거리 측정부로부터 송신 광학계와 측정 대상 사이의 거리 정보를 수신하고, 상기 거리 정보를 이용하여 상기 수신 광학계의 z축 스캐너를 구동할 수 있다.
상기 시스템 제어부(172)는 통신부를 포함하고, 상기 통신부는 주파수 잠금 제어부와 통신할 수 있다. 또한, 상기 시스템 제어부(172)는 레이저 광원(150)을 동작시키기 위한 출력 신호를 상기 레이저 광원(150)에 제공할 수 있다. 또한, 상기 시스템 제어부(172)는 상기 함수 발생기(160)의 변조 주파수를 설정하는 신호를 상기 함수 발생기(160)에 제공할 수 있다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 누설 측정 장치를 설명하는 도면이다. 도 5에서 설명한 것과 중복되는 설명은 생략한다.
도 15를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 검출 장치(100a)는 특정한 가스의 흡수 스펙트럼 중에서 특정한 단일 흡수선의 선폭의 범위에서 변조 주파수를 가지고 시간에 따라 레이저 주파수를 연속적으로 변경하는 레이저 광원(150), 상기 레이저 광원(150)의 출력광을 측정 대상에 제공하는 송신 광학계(110), 상기 측정 대상에서 상기 특정한 가스에 의한 흡수되어 반사된 반사광을 수신하는 수신 광학계(140), 상기 특정한 가스의 흡수 스펙트럼 중에서 특정한 흡수 대역의 중심에 상기 레이저 광원의 중심 주파수를 고정하기 위한 주파수 잠금부(112), 및 상기 수신 광학계(140)가 측정한 상기 반사광을 분석하여 상기 변조 주파수의 고조파 성분을 추출하는 제어부(170)를 포함한다.
수신 광학계(110), 주파수 잠금부(112), 및 송신 광학계(140)는 일체형 몸체(30)로 형성될 수 있다. 이동 시스템(32)은 일체형 몸체(30)를 이동시켜 레이저 빔을 스캐닝할 수 있다. 상기 이동 시스템(32)은 제어부(170)에 의하여 제어될 수 있다.
또한, 상기 수신 광학계(140)의 제1 검출 신호(DS1)와 제2 검출신호(DS2)는 제어부에 제공될 수 있다. 상기 제어부(170)는 제1 검출 신호(DS1)와 제2 검출신호(DS2)을 연산하여 차동 신호를 생성하고, 상기 차동 신호를 푸리에 변환하여 2차 고조파 성분을 추출할 수 있다. 이어서, 상기 제어부(170)는 상기 2 차 고조파 성분을 이용하여 가스 누설 여부를 판단할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 검출 방법은 레이저 광원이 특정한 가스의 흡수 스펙트럼 중에서 특정한 흡수 대역의 최소값에 일치하는 중심 주파수를 가지고, 상기 특정한 흡수 대역의 선폭의 범위에서 변조 주파수를 가지고 시간에 따라 주파수를 연속적으로 변경하는 단계; 송신 광학계가 상기 레이저 광원의 출력광을 측정 대상에 조사하는 단계; 수신 광학계가 상기 측정 대상의 특정한 가스 누출 여부에 따라 상기 특정한 가스의 흡수 스펙트럼을 반영한 반사광을 수신하는 단계; 주파수 잠금부가 특정한 가스의 흡수 스펙트럼 중에서 특정한 흡수 대역에 상기 레이저 광원의 중심 주파수를 고정하기 위한 주파수 잠금 검출 신호를 생성하는 단계; 및 제어부는 상기 수신 광학계가 측정한 상기 반사광을 분석하여 상기 변조 주파수의 고조파 성분을 추출하는 단계를 포함한다.
상기 송신 광학계는 상기 레이저 광원의 출력광을 측정 대상에 조사 위치를 변경할 수 있다. 상기 레이저 광원의 출력광을 측정 대상에 조사 위치에 따라, 상기 수신 광학계가 상기 반사광의 수신 위치를 변경할 수 있다.
상기 주파수 잠금 검출 신호는 상기 레이저 광원의 출력광으로부터 분기된 광을 상기 특정한 가스로 밀봉된 가스 셀을 투과시켜 후 검출하여 생성될 수 있다.
시간에 따른 레이저 주파수는 변조 주파수를 가지고 시간에 따라 사인 함수일 수 있다.
제어부는 상기 수신 광학계가 측정한 상기 반사광을 분석하여 상기 변조 주파수의 고조파 성분을 추출하는 단계는 한 쌍의 검출 위치에서 제1 검출 신호와 제2 검출 신호를 생성하는 단계; 상기 제1 검출 신호와 제2 검출 신호를 차동 증폭하여 출력하는 단계; 및 상기 차동 증폭된 신호를 상기 변조 주파수의 고조파를 록인 감지(lockin detection)하는 단계를 포함할 수 있다.
제어부는 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분에 따라 상기 특정 가스의 누출 여부를 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
송신 광학계와 수신 광학계는 일체화될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 측정 대상 12: 조사빔 14: 반사빔
110: 송신 광학계 112: 주파수 잠금부
130: 거리 측정부 140: 수신 광학계
150: 레이저 광원 160: 함수 발생기
170: 제어부 180: 주파수 잠금 제어부
190: 신호 처리부

Claims (24)

  1. 특정한 가스의 흡수 스펙트럼 중에서 특정한 단일 흡수선의 선폭의 범위에서 변조 주파수를 가지고 시간에 따라 레이저 주파수를 연속적으로 변경하는 레이저 광원;
    상기 레이저 광원의 출력광을 측정 대상에 제공하는 송신 광학계;
    상기 측정 대상에서 상기 특정한 가스에 의한 흡수되어 반사된 반사광을 수신하는 수신 광학계;
    상기 특정한 가스의 흡수 스펙트럼 중에서 특정한 흡수 대역의 중심에 상기 레이저 광원의 중심 주파수를 고정하기 위한 주파수 잠금부; 및
    상기 수신 광학계가 측정한 상기 반사광을 분석하여 상기 변조 주파수의 고조파 성분을 추출하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 검출 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 송신 광학계는:
    상기 레이저 광원의 출력광을 제공받아 광원으로 되돌아가는 일부 반사광을 차단하기 위한 아이솔레이터; 및
    상기 아이솔레이터를 통과한 광의 빔 사이즈를 증가시키는 빔 확장부(beam expander)를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 검출 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 송신 광학계는:
    상기 레이저 광원의 출력광을 제공받아 광원으로 되돌아가는 일부 반사광을 차단하기 위한 아이솔레이터;
    상기 아이솔레이터를 통과한 광의 빔 사이즈를 증가시키는 빔 확장부(beam expander); 및
    상기 아이솔레이터와 상기 빔 확장부 사이에 배치되는 빔 스플릿터를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 검출 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 주파수 잠금부는:
    상기 빔 스플릿터에 의하여 분기된 광을 반사시키는 주파수 잠금 거울;
    상기 주파수 잠금 거울에서 반사된 광을 투과시키고 밀봉된 상태의 상기 특정한 가스를 포함하는 가스 셀(gas cell);
    상기 가스 셀을 투과한 광에서 노이즈 주파수 성분을 제거하는 필터; 및
    상기 필터를 통과한 광을 감지하는 광 감지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 검출 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 광 감지부의 출력 신호를 제공받아 처리하여 상기 레이저 광원의 중심 주파수를 상기 흡수 스펙트럼 중에서 특정한 흡수 대역의 최하점에 일치시키도록 제어하는 주파수 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 검출 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 수신 광학계는 카세그레인식(Cassegrain) 반사 망원경 구조이고,
    상기 수신 광학계는:
    상기 반사된 레이저 광을 집속하는 주경(main mirror);
    상기 주경의 중심축에 배치되고 상기 주경으로부터 반사된 광을 재반사시키는 부경; 및
    상기 주경의 중심축에서 배치되는 광 감지 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 검출 장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 광 감지 모듈은:
    일단은 상기 주경의 중심축에 배치되고, 서로 이격되어 배치된 한 쌍의 광 섬유; 및
    상기 한 쌍의 광 섬유의 타단에 각각 배치된 한 쌍의 광 검출기를 포함하는 것을 특징으로 가스 검출 장치.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 광 감지 모듈은:
    일단은 상기 주경의 중심축에 배치되고, 서로 이격되어 배치된 한 쌍의 광 섬유 번들; 및
    상기 한 쌍의 광 섬유 번들의 타단에 각각 배치된 한 쌍의 광 검출기를 포함하는 것을 특징으로 가스 검출 장치.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 광 감지 모듈은 한 쌍의 광 섬유 번들 사이에 배치된 정렬 광섬유를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 검출 장치.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 수신 광학계는 카세그레인식(Cassegrain) 반사 망원경 구조이고,
    상기 수신 광학계는:
    상기 반사된 레이저 광을 집속하는 주경(main mirror);
    상기 주경의 중심축에 배치되고 상기 주경으로부터 반사된 광을 재반사시키는 부경;
    상기 부경을 상기 주경의 중심축 상에서 이동시키고 상기 부경의 배치 평면의 수직 방향을 상기 중심축으로부터 변경시키는 부경 스캐너;
    상기 주경의 중심축에서 배치되는 광 감지 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 검출 장치.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 송신 광학계는:
    상기 레이저 광원의 출력광을 제공받아 광원으로 되돌아가는 일부 반사광을 차단하기 위한 아이솔레이터;
    상기 아이솔레이터를 통과한 광의 빔 사이즈를 증가시키는 빔 확장부(beam expander);
    상기 빔 확장부의 후단에 배치되어 상기 측정 대상의 배치 평면에 스캐닝하는 빔을 제공하는 송신 스캐너; 및
    상기 송신 스캐너가 제공한 빔을 반사시켜 상기 측정 대상에 제공하는 송신거울을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 검출 장치.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 측정 대상과 상기 레이저 광원의 거리를 측정하는 거리 측정부를 더 포함하고,
    상기 거리 측정부는 가시광선 대역의 파장을 사용하는 것을 특징으로 하는 가스 검출 장치.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 측정 대상과 상기 레이저 광원의 거리를 가시 광선 대역의 파장을 사용하여 측정하는 거리 측정부를 더 포함하고,
    상기 송신 광학계는:
    상기 레이저 광원의 출력광을 제공받아 광원으로 되돌아가는 일부 반사광을 차단하기 위한 아이솔레이터;
    상기 아이솔레이터를 통과한 광의 빔 사이즈를 증가시키는 빔 확장부(beam expander); 및
    상기 아이솔레이터와 상기 빔 확장부 사이에 배치되는 빔 스플릿터를 포함하고,
    상기 빔 스플릿터는 이색성 거울이고,
    상기 거리 측정부의 출력광은 상기 빔 스플릿터를 통하여 상기 빔 확장부에 제공되는 것을 특징으로 하는 가스 검출 장치.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 레이저 광원은 흐르는 변조 주파수의 전류를 이용하여 주파수를 변조하고,
    상기 레이저 광원의 중심 주파수는 압전 소자를 이용하여 캐비티 길이 변경에 의하여 이동하는 것을 특징으로 하는 가스 검출 장치.
  15. 제1 항에 있어서,
    상기 제어부는 신호 처리부를 포함하고,
    상기 신호 처리부는:
    상기 수신 광학계가 제공하는 한 쌍의 광 검출기의 출력 신호를 제공받는 차동 증폭기; 및
    상기 차동 증폭기의 차동 증폭 신호를 제공받아 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분을 출력하는 록인 증폭기(lock-in amplifier)를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 검출 장치.
  16. 제1 항에 있어서,
    상기 변조 주파수를 가지는 전류 변조 신호를 생성하는 함수 발생기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 검출 장치.
  17. 제15 항에 있어서,
    상기 제어부는 시스템 제어부를 더 포함하고,
    시스템 제어부는 상기 신호 처리부의 데이터를 제공받아 연산하여 상기 측정 대상의 특정한 가스 누출 여부를 산출하는 것을 특징으로 하는 가스 검출 장치.
  18. 레이저 광원이 특정한 가스의 흡수 스펙트럼 중에서 특정한 흡수 대역의 최소값에 일치하는 중심 주파수를 가지고, 상기 특정한 흡수 대역의 선폭의 범위에서 변조 주파수를 가지고 시간에 따라 주파수를 연속적으로 변경하는 단계;
    송신 광학계가 상기 레이저 광원의 출력광을 측정 대상에 조사하는 단계;
    수신 광학계가 상기 측정 대상의 특정한 가스 누출 여부에 따라 상기 특정한 가스의 흡수 스펙트럼을 반영한 반사광을 수신하는 단계;
    주파수 잠금부가 특정한 가스의 흡수 스펙트럼 중에서 특정한 흡수 대역에 상기 레이저 광원의 중심 주파수를 고정하기 위한 주파수 잠금 검출 신호를 생성하는 단계; 및
    제어부는 상기 수신 광학계가 측정한 상기 반사광을 분석하여 상기 변조 주파수의 고조파 성분을 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 검출 방법.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 송신 광학계가 상기 레이저 광원의 출력광을 측정 대상에 조사 위치를 변경하는 단계; 및
    상기 레이저 광원의 출력광을 측정 대상에 조사 위치에 따라 상기 수신 광학계가 상기 반사광의 수신 위치를 변경하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 검출 방법.
  20. 제18 항에 있어서,
    상기 주파수 잠금 검출 신호는 상기 레이저 광원의 출력광으로부터 분기된 광을 상기 특정한 가스로 밀봉된 가스 셀을 투과시켜 후 검출하여 생성되는 것을 특징으로 하는 가스 검출 방법.
  21. 제18 항에 있어서,
    시간에 따른 레이저 주파수는 변조 주파수를 가지고 시간에 따라 사인 함수인 것을 특징으로 하는 가스 검출 방법.
  22. 제18 항에 있어서,
    제어부는 상기 수신 광학계가 측정한 상기 반사광을 분석하여 상기 변조 주파수의 고조파 성분을 추출하는 단계는:
    한 쌍의 검출 위치에서 제1 검출 신호와 제2 검출 신호를 생성하는 단계;
    상기 제1 검출 신호와 제2 검출 신호를 차동 증폭하여 출력하는 단계; 및
    상기 차동 증폭된 신호를 상기 변조 주파수의 고조파를 록인 감지(lock-in detection)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 검출 방법.
  23. 제18 항에 있어서,
    제어부는 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분에 따라 상기 특정 가스의 누출 여부를 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 검출 방법.
  24. 제18 항에 있어서,
    송신 광학계와 수신 광학계는 일체화된 것을 특징으로 하는 가스 검출 방법.
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